LLVM
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| 開發者 | LLVM開發團隊 |
|---|---|
| 初始版本 | 2003 |
| 穩定版本 | 8.0.0 （2019年3月20日（2019-03-20） ） |
| 源代码库 |
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| 编程语言 | C++ |
| 操作系统 | 跨平台 |
| 类型 | 編譯器 |
| 许可协议 | 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校開源碼許可（University of Illinois/NCSA Open Source License） |
| 网站 | llvm.org |
LLVM是一個自由軟體專案，它是一種編譯器基礎设施，以C++寫成，包含一系列模块化的编译器组件和工具链，用来开发编译器前端和后端。它是為了任意一種程式語言而寫成的程式，利用虛擬技術創造出編譯時期、鏈結時期、執行時期以及“閒置時期”的最佳化。它最早以C/C++為實作對象，而目前它已支援包括ActionScript、Ada、D語言、Fortran、GLSL、Haskell、Java字节码、Objective-C、Swift、Python、Ruby、Rust、Scala[1]以及C#[2]等语言。
LLVM專案的發展起源於2000年伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校維克拉姆·艾夫（Vikram Adve）與克里斯·拉特納（Chris Lattner）的研究，他們想要為所有靜態及動態語言創造出動態的編譯技術。LLVM是以BSD授權來發展的开源軟體。2005年，蘋果電腦雇用了克里斯·拉特納及他的團隊為蘋果電腦開發應用程式系統[3]，LLVM為現今Mac OS X及iOS開發工具的一部分。
LLVM的命名最早源自於底層虛擬機器（Low Level Virtual Machine）的首字母縮寫[4]，由於這個專案的範圍並不侷限於建立一個虛擬機器，這個縮寫導致了廣泛的疑惑。LLVM開始成長之後，成為眾多編譯工具及低階工具技術的統稱，使得這個名字變得更不貼切，開發者因而決定放棄這個縮寫的意涵[5]，現今LLVM已單純成為一個品牌，適用於LLVM下的所有專案，包含LLVM中介碼（LLVM IR）、LLVM除錯工具、LLVM C++標準函式庫等。
因LLVM對產業的貢獻，计算机协会於2012年将ACM软件系统奖授與維克拉姆·艾夫、克里斯·拉特納及Evan Cheng[6]。
目录
1 描述
2 編譯器
2.1 前端
2.2 中间端
2.3 后端
2.4 链接器
2.5 C++标准库
3 另見
4 參考文獻
5 外部連結
描述
LLVM提供了完整編譯系統的中間層，它會將中間語言（Intermediate Representation，IR）從編譯器取出與最佳化，最佳化後的IR接著被轉換及鏈結到目標平台的汇编语言。LLVM可以接受來自GCC工具鏈所編譯的IR，包含它底下現存的編譯器。
LLVM也可以在編譯時期、鏈結時期，甚至是執行時期產生可重新定位的程式碼（Relocatable Code）。
LLVM支援與語言無關的指令集架構及類型系統[7]。每個在静态单赋值形式（SSA）的指令集代表著，每個變數（被稱為具有型別的暫存器）僅被賦值一次，這簡化了變數間相依性的分析。LLVM允許程式碼被靜態的編譯，包含在傳統的GCC系統底下，或是類似JAVA等後期編譯才將IF編譯成機器碼所使用的即時編譯（JIT）技術。它的型別系統包含基本型別（整數或是浮点数）及五個複合型別（指標、数组、向量、結構及函數），在LLVM具體語言的型別建制可以以結合基本型別來表示，舉例來說，C++所使用的class可以被表示為結構、函式及函数指针的陣列所組成。
LLVM JIT編譯器可以最佳化在執行時期時程式所不需要的靜態分支，這在一些部份求值（Partial Evaluation）的案例中相當有效，即當程式有許多選項，而在特定環境下其中多數可被判斷為是不需要。這個特色被使用在Mac OS X Leopard（v10.5）底下OpenGL的管線，當硬體不支援某個功能時依然可以被成功地運作[8]。OpenGL堆栈下的繪圖程式被編譯為IR，接著在機器上執行時被編譯，當系統擁有高階GPU時，這段程式會進行極少的修改並將傳遞指令給GPU，當系統擁有低階的GPU時，LLVM將會編譯更多的程序，使這段GPU無法執行的指令在本地端的中央处理器執行。LLVM增進了使用Intel GMA晶片等低端機器的效能。一個類似的系統發展於Gallium3D LLVMpipe，它已被合併到GNOME，使其可運行在沒有GPU的環境[9]。
根據2011年的一项測試，GCC在執行時期的性能平均比LLVM高10%[10][11]。而2013年測試显示，LLVM可以編譯出接近GCC相同效能的執行碼[12]。
編譯器
LLVM已经成为多个编译器和代码生成相关子项目的母项目。
前端
LLVM最初被用來取代現有於GCC堆栈的程式碼產生器[13]，許多GCC的前端已經可以與其運行，LLVM目前支援Ada、C语言、C++、D語言、Fortran、Haskell、Julia (编程语言)、Objective-C、Rust及Swift (程式语言)的編譯，它使用許多的編譯器，有些來自4.0.1及4.2的GCC。
LLVM引發一些人來為許多語言開發新的編譯器，其中一個最引發注意的就是Clang，它是一個新的編譯器，同時支援C、Objective-C以及C++。主要來自蘋果電腦的支持，Clang的目的用以取代GCC系統底下的C/Objective-C編譯器，在當代的系統，他較為容易與集成开发环境（IDE）整合，而且對於线程有更好的支援。Clang从3.8版本开始已经支持OpenMP[14]。GCC底下Objective-C的開發已經停滯，而蘋果電腦已經將其支援移至其他的維護分支。
Utrecht Haskell編譯器可以產生LLVM使用的程式碼，但它還在初期的開發階段，並且在許多案例，展示他比起C程式碼產生器擁有更好的效率[15]Glasgow Haskell Compiler（GHC）擁有一個可以運作的LLVM後端，程式執行效能對比起原先的編譯器可以達到30%的加速，它僅比一個由GHC所實現，並擁有多項最佳化技術的編譯器還慢[16]
還有其他的元件在不同的開發階段，包含（但不限於）Java bytecode[17]、通用中间语言（CIL）、MacRuby（實現Ruby 1.9）、Standard ML及新的graph coloring暫存器配置. [來源請求]
中间端
LLVM的核心是中间端表达式（Intermediate Representation，IR），一种类似汇编的底层语言。IR是一种强类型的精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC），并对目标指令集进行了抽象。例如，目标指令集的函数调用惯例被抽象为call和ret指令加上明确的参数。另外，IR采用无限个数的暂存器，使用如%0，%1等形式表达。LLVM支持三种表达形式：人类可读的汇编，在C++中对象形式和序列化后的bitcode形式。
例如，一个简单的Hello World程序可以表达为如下的汇编形式。对IR语言的完整描述请参考LLVM官方文档[18]：
@.str = internal constant [14 x i8] c"hello, worldA0"
declare i32 @printf(i8*, ...)
define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) nounwind {
entry:
%tmp1 = getelementptr [14 x i8], [14 x i8]* @.str, i32 0, i32 0
%tmp2 = call i32 (i8*, ...) @printf( i8* %tmp1 ) nounwind
ret i32 0
}
后端
至3.4版本的LLVM已经支持多种后端指令集，比如ARM、Qualcomm Hexagon、MIPS、Nvidia并行指令集（PTX；在LLVM文档中被称为NVPTX），PowerPC、AMD TeraScale[19]、AMD Graphics Core Next（GCN）、SPARC、z/Architecture（在LLVM文档中被称为SystemZ）、x86、x86-64和XCore。有部分平台功能并没有完全实现。但x86、x86-64、z/Architecture、ARM和PowerPC的基本所有功能都有实现。[20]RISC-V也在版本7中实现。
LLVM机器码（MC）子项目是LLVM将机器指令从文字形式转换至机器码的形式。在之前LLVM依靠系统或是平台专门的工具链将汇编翻译为机器码。LLVM机器码的集成汇编器已经支持绝大多数LLVM的目标平台，如x86、x86-64、ARM和ARM64。对另一些平台，如几种MIPS平台，汇编器支持已经加入但仍在beta阶段。
链接器
lld链接器子项目旨在为LLVM开发一个内置的，平台独立的链接器[21]，去除对所有第三方链接器的依赖。在2017年5月，lld已经支持ELF、PE/COFF、 和Mach-O。在lld支持不完全的情况下，用户可以使用其他项目，如GNU ld链接器。
lld支持链接时优化。当LLVM链接时优化被启用时，LLVM可以输出bitcode而不是本机代码，而本机代码生成由链接器优化处理。
C++标准库
LLVM项目包含一个C++标准库的实现，具有MIT许可证和UIUC许可证的双许可协议。[22]
另見
- Clang C/C++編譯器
GNU Compiler Collection（GCC）- OpenGL
參考文獻
^ Reedy, Geoff. Compiling Scala to LLVM. St. Louis, Missouri, United States. 2012-09-24 [2013-02-19].
^ Mono LLVM, [2013-03-10]
^ Adam Treat, mkspecs and patches for LLVM compile of Qt4 互联网档案馆的存檔，存档日期2011-10-04.
^ 存档副本. [2011-12-22]. （原始内容存档于2012-01-17）.
^ Chris Lattner discusses the name LLVM. [22 December 2011]. （原始内容存档于2012年1月12日）.
^ ACM Awards. ACM. （原始内容存档于2012-04-02）.
^ LLVM Language Reference Manual. [16 April 2012].
^
Chris Lattner. A cool use of LLVM at Apple: the OpenGL stack. LLVMdev mailing list. 15 August 2006 [26 October 2008]. （原始内容存档于2006年11月4日）.
^ Michael Larabel, "GNOME Shell Works Without GPU Driver Support", phoronix, 6 November 2011
^ V. Makarov. SPEC2000: Comparison of LLVM-2.9 and GCC4.6.1 on x86. [3 October 2011].
^ V. Makarov. SPEC2000: Comparison of LLVM-2.9 and GCC4.6.1 on x86_64. [3 October 2011].
^ Michael Larabel. LLVM/Clang 3.2 Compiler Competing With GCC. 27 December 2012 [31 March 2013].
^
Lattner, Chris; Vikram Adve. Architecture For a Next-Generation GCC. First Annual GCC Developers' Summit. May 2003 [6 September 2009]. 引文使用过时参数coauthors (帮助)
^ Clang 3.8 Release Notes. [August 24, 2016].
^
Compiling Haskell To LLVM (PDF). [26 June 2008].
^
LLVM Project Blog: The Glasgow Haskell Compiler and LLVM. [13 August 2010].
^ Gaël Thomas; 等. VMKit: a substrate for virtual machines. LLVM.org. 引文格式1维护：显式使用等标签 (link) VMKit 目前的开发已经停滞，并且只支持和 LLVM 3.3 协同编译。对更高版本的 LLVM，需要对源码做一些修改。VMKit 在编译时需要 LLVM 源码中的lib, include。
^ llvm.org/docs/LangRef.html.
^ Stellard, Tom. [LLVMdev] RFC: R600, a new backend for AMD GPUs. llvm-dev (邮件列表). March 26, 2012.
^ Target-specific Implementation Notes: Target Feature Matrix // The LLVM Target-Independent Code Generator, LLVM site.
^ lld - The LLVM Linker. The LLVM Project. [May 10, 2017].
^ "libc++" C++ Standard Library.
外部連結
- LLVM計劃官方網站
- LLVM Project Blog
LLVM: A Compilation Framework for Lifelong Program Analysis & Transformation—a published paper by Chris Lattner and Vikram Adve.
LLVM Language Reference Manual—describes the LLVM intermediate representation.
LLVM 2.0 Presentation—Google Tech Talk Presentation on LLVM 2.0
Discussion of LLVM by John Siracusa at Ars Technica
LLVM內部結構（The Architecture of Open Source Applications, Volume II - ISBN 9781105571817）- LLVMLinux專案
